Скачать (70,5 Кб)

АТФ: не только энергия

Доктор биологических наук А. Д. Ноздрачев,
кандидат биологических наук А. В. Янцев
Химия и Жизнь №7, 1982 г., с. 22-25

Что скрывается за буквами АТФ, знают многие, и не только биологи или медики. АТФ - это аденозинтрифосфорная кислота, универсальный аккумулятор энергии во всех растительных и животных клетках. Молекула ее состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты:

Связи между фосфатными группировками в молекуле АТФ легко разрываются с выделением большого количества энергии - около 7 ккал/моль (при гидролизе фосфорноэфирных связей в других соединениях энергии выделяется гораздо меньше - обычно 2-3 ккал/моль). Аденозинтрифосфорная кислота при этом переходит сначала в аденозиндифосфорную (АДФ), а если гидролиз продолжается, то и в аденозинмонофосфорную (АМФ). Выделяющаяся энергия используется на нужды клетки: на активный перенос химических веществ через мембраны, синтез органических соединений, сокращение мышечного волокна и т. д. Таким образом, АТФ занимает ключевую позицию в энергетическом обмене клетки. Об этом пишется и в учебниках биологии, и в солидных научных монографиях. Однако не так давно стало известно, что АТФ выполняет в организме еще одну, несколько неожиданную функцию.

ОТКРЫТИЕ

Сигналы, регулирующие работу всех тканей и органов, представляют собой электрические импульсы, которые распространяются по нервным волокнам. Но в месте контакта между нервной клеткой и клеткой-мишенью (например, мышечным волокном) происходит смена способа передачи информации - с электрического на химический. Дело в том, что между нервным окончанием и мембраной клетки-мишени остается промежуток - так называемая синаптическая щель шириной от 10 до 100 нм, которую электрический импульс преодолеть не может. В нервном окончании, в специальных многочисленных пузырьках - везикулах, хранятся определенные химические вещества - медиаторы. Достигнув нервного окончания, электрический импульс вызывает выделение некоторого количества медиатора из везикул. Молекулы медиатора пересекают синаптическую щель и соединяются с мембраной клетки-мишени - с находящимися на ее поверхности белковыми молекулами-рецепторами, специфично приспособленными для взаимодействия с молекулами медиатора. В результате этого взаимодействия клетка изменяет свою активность - она "приняла сигнал".

Деятельность различных органов и тканей регулируют разные медиаторы: ацетилхолин, норадреналин, дофамин, гамма-аминомасляная кислота, глицин, серотонин и другие. В системе внутренних органов основные медиаторы - ацетилхолин и норадреналин. Соответственно на наружной поверхности клеточных мембран располагаются разные рецепторы: одни взаимодействуют только с молекулами норадреналина, другие - только с молекулами ацетилхолина, причем результат в обоих случаях будет различным. Ацетилхолин замедляет частоту сердечных сокращений, увеличивает двигательную активность мышц желудка и кишечника, возбуждает секрецию желудочных желез; норадреналин, а также его ближайший родственник адреналин, как правило, оказывают противоположное действие.

Картина получалась простая и понятная. Если нужно затормозить, например, деятельность гладких мышц стенки желудка, активируется группа так называемых адренергических нервных окончаний, выделяющих норадреналин; если же, наоборот, нужно вызвать сокращение этих мышц, в действие вступают холинергические окончания, выделяющие ацетилхолин. В других случаях, например для сердечной мышцы, зависимость противоположная - холинергические нервы угнетают ее сокращения, а адренергические стимулируют. Но принцип остается единым: деятельность внутренних органов регулируют две системы нервных волокон, причем если одна возбуждает функцию органа, то другая тормозит.

Однако на деле все оказалось сложнее. Со временем стали накапливаться сведения, что внутренние органы имеют еще какую-то, пока неизвестную собственную систему нервной регуляции.

Существуют, например, химические препараты, способные блокировать действие тех или иных медиаторов, которые при этом теряют способность реагировать с рецепторами и влиять на деятельность клетки-мишени. И вот в 1966 г. доктор Г. Кэмпбелл, работавший в то время в Оксфордском университете, обнаружил, что, даже если полностью заблокировать адренергическую передачу с помощью препарата орнида, подавляющего выделение норадреналина из нервных окончаний, нервная система все равно сохраняет способность тормозить сокращения мышц желудка. Отсюда был сделан вывод, что существует еще какой-то, пока неизвестный медиатор, который и вызывает такое торможение. Начались поиски этого медиатора. Попали под подозрение и были подвергнуты строгой и тщательной проверке многие соединения: серотонин, гистамин, простагландины, энкефалины, циклическая АМФ, аминокислоты, полипептиды. И оказалось, что обнаруженный эффект вызывает... давно известная АТФ. Это доказали в начале 70-х годов английский физиолог Дж. Бэрнсток и его сотрудники, которые установили, что именно АТФ выделяется из нервных окончаний, не относящихся ни к адренергическим, ни к холинергическим. Подобный тип синаптической передачи, названный пуринергическим (поскольку аденин относится к числу пуриновых оснований), был обнаружен сначала в желудке и кишечнике, а потом и в других органах и тканях.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА

С уверенностью доказать, что то или иное физиологически активное вещество выполняет функцию именно медиатора, - задача нелегкая. Для этого нужно продемонстрировать, что испытуемое вещество отвечает многим совершенно определенным требованиям.

Первое. Некоторые биологически активные вещества попадают в клетки, кровь, тканевую жидкость извне (пример - многие витамины). Понятно, что такие нерегулярно поступающие в организм вещества не могут выполнять функцию медиатора: он должен синтезироваться в самих клетках. Этому требованию АТФ удовлетворяет вполне: ферментативные системы для сборки молекул АТФ есть почти во всех клетках как растительного, так и животного происхождения, не исключая, разумеется, и нервных.

Второе. Синтезированный в клетке медиатор должен запасаться в синаптиче-ских пузырьках - везикулах, откуда он при необходимости будет выделяться. Такие склады, где хранятся медиаторы, были обнаружены с помощью электронной микроскопии в нервных окончаниях. При этом пузырьки, содержащие разные медиаторы, различаются по величине, форме и другим особенностям, так что опытный исследователь уже по внешнему виду может отличить, скажем, ацетилхолиновые везикулы от норадреналиновых. И когда в нервных окончаниях были найдены неизвестные ранее крупные (до 200 НАД в диаметре, а не меньше 150 нм, как обычно) пузырьки, возникло естественное предположение, что в них содержится какой-то еще неизвестные медиатор. Им и оказалась АТФ, что было доказано с помощью метода меченых атомов.

Схема синтеза, хранения, действия и инактивации АТФ

Третье. Как уже говорилось, медиаторы выделяются из нервных окончаний при поступлении туда электрических сигналов. Такие сигналы можно имитировать искусственно, раздражая нервную клетку импульсным током. Если при этом во внеклеточной среде появится то или иное вещество, которого раньше там не было, то вполне вероятно, что оно и является агентом синаптической передачи. АТФ выдерживает и этот экзамен: данные биохимического анализа свидетельствуют о том, что электрическое раздражение пуринергических волокон приводит к выделению АТФ из нервных окончаний.

Четвертое. Выделяющийся при передаче информации медиатор, прореагировав со своими рецепторами, должен вовремя освобождать место для новых порций медиатора - подобно тому, как телеграфист, передающий сообщение азбукой Морзе, после каждой точки или тире должен убирать руку с ключа, размыкая цепь. Следовательно, должны существовать какие-то механизмы, ответственные за своевременное удаление медиатора с места его действия. Обычно это делают ферменты: они расщепляют молекулы медиатора, освобождая рецепторы для нового взаимодействия. Если в месте синаптического контакта есть системы ферментативного расщепления испытуемого вещества, это можно рассматривать как еще один аргумент в пользу его медиаторной функции.

Ферментов, расщепляющих АТФ и промежуточные продукты ее гидролиза, во всех тканях внутренних органов достаточно. Те же ферменты ответственны и за инактивацию АТФ, выделившейся из нервных окончаний. АТФаза расщепляет АТФ до АДФ и далее до АМФ; АМФ под действием 5-нуклеотидазы превращается в аденозин, который большей частью всасывается обратно в нервное окончание и используется впоследствии для нового синтеза АТФ, а частично расщепляется аденозин-дезаминазой до неактивного инозина (см. схему на предыдущей странице).

Пятое. Если выделить в чистом виде вещество, которое мы считаем кандидатом в медиаторы, и нанести его на мембрану клетки-мишени, то это должно вызывать те же эффекты, что и "естественная" синаптическая передача. Например, торможение мышечных сокращений наблюдается как при электрическом раздражении холинергических нервов сердца, медиатором которых является ацетилхолин, так и при непосредственном нанесении ацетилхолина на мышцу. Так же действует и АТФ: эксперименты показали, что эффекты электрической стимуляции пуринергических нервов и искусственного нанесения АТФ на мышцы весьма схожи. Например, гладкие мышцы кишечника в обоих случаях расслабляются, причем и длительность, и скорость развития этой реакции хорошо совпадают.

Наконец, шестое. Для каждого типа медиаторов можно подобрать соединения, специфично влияющие на эффективность синаптической передачи. Одни из них блокируют действие медиатора, на длительное время занимая рецепторы - "посадочные площадки" для его молекул; другие, напротив, облегчают его задачу, выводя из строя ферментативную систему расщепления медиатора, причем и тот и другой эффект наблюдаются как при электрическом раздражении нервных волокон, так и при искусственном нанесении медиатора. АТФ успешно прошла и эту заключительную проверку.

АТФ И ЭВОЛЮЦИЯ

Теперь можно считать установленным, что помимо хорошо известной роли АТФ в энергетическом обмене она выполняет и другую важную функцию - синаптического медиатора.

Лучше всего пуринергические синапсы изучены на органах желудочно-кишечного тракта. Однако рецепторы, специфически чувствительные к АТФ, обнаружены и в мочевом пузыре различных животных, в легких, репродуктивных органах, кровеносных сосудах, глазных яблоках, головном и спинном мозге.

Есть основания предполагать, что существуют два вида таких рецепторов: одни более чувствительны к самой АТФ, другие - к продукту ее расщепления аденозину. Химическая природа рецепторов пуринергической передачи пока неясна, но возможно, что эту роль выполняет фермент аденилатциклаза. Установлено, что пуринорецепторы высокочувствительны не только к АТФ, но и к ультрафиолетовому излучению; причина этого пока мало понятна.

Нервные клетки, медиатором которых служит АТФ, располагаются в стенках внутренних органов. Они объединяются в группы, образуя нервные узлы - ганглии. Соединяясь нервными тяжами, такие ганглии образуют сплошную многоэтажную сеть - собственную нервную систему внутренних органов. В желудке и кишечнике, за исключением его самого нижнего отдела, пуринергические нейроны оказывают тормозящее действие на гладкую мускулатуру. До открытия системы пуринергической иннервации считалось, что эту функцию выполняют адренергические нейроны, теперь же им отводится лишь роль модулятора синаптической передачи, то есть системы контроля, изменяющей в зависимости от тех или иных условий эффект действия на клетки-мишени других медиаторов.

Каково же место АТФ в системе медиаторов? По мнению доктора Бэрнстока, открывшего медиаторные свойства АТФ, эту функцию АТФ стала выполнять еще на начальных этапах эволюции животного мира, задолго до появления других медиаторов. Предполагается, что это происходило следующим образом. У примитивных многоклеточных организмов, не имевших еще сформированной нервной системы, активизация деятельности одной или нескольких клеток в ответ на действие каких-нибудь внешних факторов, естественно, сопровождалась повышением интенсивности обмена веществ. При этом ускорялись и распад, и синтез АТФ, служившей тогда всего лишь аккумулятором энергии. АТФ попадала в межклеточное пространство, воздействовала на соседние клетки и изменяла обмен веществ в них. Со временем среди множества белковых молекул, находящихся на поверхности клеточных мембран, появились белковые рецепторы, способные специфично взаимодействовать с АТФ: благодаря такому взаимодействию клетки получали информацию о появлении поблизости очага активности и могли на это реагировать, изменяя свой собственный обмен веществ. Другими словами, с появлением специфичных рецепторов АТФ и начала выполнять функцию медиатора - химического переносчика информации. (На каком именно этапе эволюции многоклеточных организмов это произошло, мы пока, к сожалению, не знаем.)

В дальнейшем строение тела многоклеточных организмов усложнялось, происходили дифференцировка покровных, мышечных и нервных тканей, формирование новых органов. Такое усовершенствование организации неминуемо должно было повлечь за собой развитие нервной системы. Для контроля и регуляции все усложняющихся функций понадобились новые передатчики информации - и постепенно в нервных клетках появлялись ферментативные системы, синтезирующие не только АТФ, но и адреналин, норадреналин, дофамин, ацетилхолин и другие вещества, выполняющие сейчас функцию медиаторов.

Есть, однако, и другая точка зрения на эволюцию медиаторных систем. По мнению советского физиолога Д. А. Сахарова, образование различных типов медиаторов происходило независимо в различных клеточных линиях нейронов; а значит, группируя нейроны по типу химической передачи, мы можем получить информацию о степени родственных отношений между этими группами. (Эта весьма интересная теория могла бы составить предмет отдельной статьи.)

Как на самом деле происходил эволюционный процесс, мы пока не можем сказать с полной уверенностью; эта проблема еще требует дальнейших всесторонних и глубоких исследований.

ЧТО ЧИТАТЬ О ПУРИНЕРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕ

Бэрнсток Дж., Коста М. Адренергические нейроны. Минск, 1979.

Глебов Р. Н., Крыжановский Г. Н. Функциональная биохимия синапсов. М., 1978.

Сахаров Д. А. Генеалогия нейронов. М., 1974.

Burnstock G. Purinergic neurons.- Pharm. Rev., 1972, v. 24, p. 509-581.